Вчені тривалий час роздумували, чому загальний склад Землі не повністю відповідає суміші матеріалів, знайдених у давніх метеоритах. Одна з гіпотез полягала в тому, що наша прото-Земля – так називають найраніші стадії планети, до утворення Місяця – збирала інші види матеріалів, ніж після гігантського зіткнення, що дало початок нашому природному супутнику.
Щоб дослідити цю ідею, науковці з Массачусетського технологічного інституту (MIT) – одного з найпрестижніших дослідницьких центрів світу – та інших установ ретельно виміряли вміст калію-40 та інших ізотопів калію в породах, видобутих з глибин Землі, а також у зразках з різних періодів історії нашої планети. Для цього вони застосували надзвичайно точний метод, відомий як мас-спектрометрія термічної іонізації.
Земля до і після катастрофи
У першому розділі довгої історії нашої планети Земля була гарячим, скелястим світом, що кипів лавою. Потім сталося масштабне зіткнення: об’єкт розміром з Марс врізався в молоде небесне тіло. Цей удар був настільки потужним, що розплавив нутрощі планети та змінив її хімічний склад. Протягом тривалого часу вчені вважали, що це гігантське зіткнення – відоме як Гіпотеза гігантського зіткнення, що є найпоширенішою теорією походження Місяця – стерло всі ознаки того, з чого Земля складалася спочатку.
Однак нове дослідження з MIT розповідає іншу історію. Вчені виявили унікальну хімічну ознаку в давніх породах. Ця незвичайна суміш ізотопів калію відрізняється від більшості сучасних матеріалів Землі. Ні великі космічні зіткнення, ні сучасні геологічні процеси Землі не можуть пояснити цей дисбаланс. Це може бути залишок ранніх днів планети, який якимось чином пережив масивне зіткнення, що перекроїло все інше.
“Можливо, це перший прямий доказ того, що ми зберегли матеріали прото-Землі. Ми бачимо частину дуже давньої Землі, ще до гігантського зіткнення”, – говорить Ніколь Ні з MIT, одна з провідних дослідниць. – “Це дивовижно, бо ми очікували, що цей дуже ранній слід буде повільно стертий в процесі еволюції Землі”.
Калієва аномалія – свідок минулого
У 2023 році Ніколь Ні та її команда вже вивчали метеорити з усього світу. Ці космічні камені утворилися дуже давно в різних частинах Сонячної системи, тому вони несуть у собі відомості про те, як змінювалася наша система з часом. Коли вчені досліджували хімічний склад цих метеоритів, вони виявили щось незвичайне щодо калію – поширеного елемента. Калій існує у трьох типах, званих ізотопами: 39, 40 та 41. На Землі ми переважно бачимо калій-39 та калій-41. Калій-40 зустрічається дуже рідко.
Але в метеоритах суміш ізотопів калію була іншою. Ця “калієва аномалія” свідчила, що метеорити містять матеріал, що існував до нинішньої форми Землі, можливо, з ранньої прото-Землі, до того, як гігантське зіткнення змінило її хімію.
“У тій роботі ми виявили, що різні метеорити мають різні ізотопні ознаки калію, і це означає, що калій може бути використаний як маркер для будівельних блоків Землі”, – пояснює Ніколь Ні.
Поточне дослідження мало на меті знайти ознаки подібних калієвих аномалій у самій Землі. Зразки включали мафічні архейські породи, що походять з Гадейсько-Еоархейської мантії (включно зі зразками з Ісуа, Нуввуагіттуку та Каапваальського кратону), а також деякі сучасні океанічні острівні базальти (з острова Реюньйон та вулкана Камаехуаканалоа, Гаваї).
Ісуа – це унікальна геологічна формація у Гренландії, відома своїми найдавнішими породами, що формувалися мільярди років тому. Нуввуагіттук – це зеленокам’яний пояс у провінції Квебек, Канада, який містить одні з найдавніших відомих порід на Землі. Каапваальський кратон у Південній Африці – це стародавній та стабільний шматок континентальної кори, що зберігся майже незмінним протягом мільярдів років. Острів Реюньйон – французький острів в Індійському океані, відомий своєю активною вулканічною діяльністю. А Камаехуаканалоа – активний підводний вулкан поблизу Гаваїв, що представляє ранні стадії формування гавайських островів.
Докази в глибинах Землі
Вчені розпочали з розчинення подрібнених зразків породи в кислоті. Потім вони відокремили калій і використали спеціальний мас-спектрометр для вимірювання кількості кожного ізотопу. Дослідники виявили, що їхні зразки породи мали ще нижчий рівень калію-40, ніж зазвичай. На Землі калій-40 вже є рідкісним порівняно з іншими видами калію, але в цих давніх породах він був ще дефіцитнішим – немов помітити одну коричневу піщинку у відрі, наповненому жовтими.
Отже, головне питання – чи можуть ці породи бути шматками прото-Землі? Дослідники вважають, що це можливо. Вони припускають, що прото-Земля могла початися з матеріалу з низьким вмістом калію-40. Але після масивного зіткнення та численних менших ударів метеоритів більшість цього первісного матеріалу була хімічно переформована, залишивши після себе багату калієм Землю, яку ми знаємо сьогодні.
Команда зібрала дані про склад усіх відомих метеоритів та провела симуляції, щоб побачити, як рівні калію-40 на Землі могли змінюватися з часом. Вони моделювали, що станеться після великих ударів та після довгострокових геологічних процесів, таких як нагрівання та змішування глибоко всередині Землі. Вчені виявили, що удари та природні зміни Землі з часом дещо збільшили б кількість калію-40, подібно до того, що ми спостерігаємо в більшості сучасних порід. Ось чому давні зразки з Канади, Гренландії та Гаваїв, які містять ще менше калію-40, є унікальними. Вони можуть бути рідкісними залишками Землі з її ранніх днів, не зачепленими наступними змінами.
Дослідження припускає, що породи з нижчими, ніж зазвичай, рівнями калію-40 можуть бути давніми залишками прото-Землі. Цікаво, що хімічна ознака в цих давніх земних зразках не повністю відповідає жодному відомому метеориту. Деякі метеорити дійсно показують незвичайні калієві структури, але жоден не показує такого ж дефіциту калію-40, знайденого в цих підозрюваних породах прото-Землі.
За словами Ніколь Ні, “вчені намагалися зрозуміти початковий хімічний склад Землі, комбінуючи склади різних груп метеоритів. Але наше дослідження показує, що поточний інвентар метеоритів неповний, і нам ще багато чого потрібно дізнатися про те, звідки походить наша планета”.
Результати дослідження були опубліковані в престижному науковому журналі Nature Geoscience.
